西北某商務(wù)中心高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

1、木文由201086q貢獻(xiàn)pdf文檔可能在wap端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇txt,或下載源文件到木機杳看。 笫十八屆全國離層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文2 0 0 4 年西北某商務(wù)屮心高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 魏捷張文華廖耘（髓s廣卅審柏生建筑工程設(shè)計事務(wù)所廣嫻510170）【提要】本文介紹了西北某高層商務(wù)中心的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。針対該結(jié)構(gòu)的諸多不利抗震條件，詳細(xì)介紹了 rbs事務(wù)所的設(shè)計思路和解決方案，并看重分析了采用屮心支撐和屮心支撐不連續(xù)對該結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.關(guān)鍵詞】方鋼管混凝土柱，屮心支撐，鋼一稔紐合 結(jié)構(gòu)，抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)abrstraet：the paperint roduces thestee

2、l structure des i g n oview o f the poorthisi c designahigh-rise b u i 1 d i n g i n china w c s t . i n intro duces theirb u i 1 d i n g, rbs associatescons iderat ion and resolving idea.especia 1 1 y , a n a 1 y s e the influence t o seismic resist a n c c caused b ycentrebrae 燃 and the discontinu

3、ation o f t h e s e bra c e s .keywordsconcrete filled rectangular s t e e 1 tube column, cent re brace, steelconcret e combination structure, the discontinuatio n ofhorizontal force enduremembers1. 前言木文所介紹的工程由于場地形狀的原因，建筑平面呈不規(guī)則的“l(fā)”型，同時建筑使用 功能為上公寓下酒店，采用了兩套完全獨立的豎向交通系統(tǒng)（圖1 . 1 ）。原結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，若圍繞豎

4、向交通設(shè)置核心筒，則結(jié)構(gòu)嚴(yán)重偏心，難以抑制扭轉(zhuǎn): 若不設(shè)核心筒，則很難滿足側(cè)移要求，且會出現(xiàn)抗側(cè)力構(gòu)件的高位轉(zhuǎn)換，籍種方案均須對建 筑平而作較大調(diào)整，經(jīng)濟指標(biāo)與受力性能也都不理想。rbs事務(wù)所接手該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)訃 后，從體系抗震行為著眼，將結(jié)構(gòu)形式改為方鋼管混凝土柱+中心支撐結(jié)構(gòu)，借助鋼結(jié)構(gòu)開 問較人，抗側(cè)力構(gòu)件布置靈活的特點，實現(xiàn)了建筑功能與結(jié)構(gòu)體系的啟機結(jié)合，并取得了良 好的經(jīng)濟效益。本工程的設(shè)計中綜合了當(dāng)前高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的多個難點，如高烈度區(qū),i i i類場 地土，平而不規(guī)則，豎向不規(guī)則，抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)等。rbs事務(wù)所從研究此 類魏捷，男，1 9 6 3年出牛.工學(xué)碩丄，商級工程師

5、5 4 8?第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文2 0 0 4 年圖1. 1建筑典型平面(陰影部分為豎向交通區(qū))結(jié)構(gòu)的受力特點，評佔抗震性能的角 度出發(fā)，對該工程作了較為詳盡的分析計算和歸納總結(jié)工作，并將階段性成果匯集于木文, 敬請各位同仁批評指正。2. 工程概況木工程位于陜西省西安市，總建筑面積約3z/ m2,地上2 5層,地下兩層，建筑總高度 約9 om。一三層為商場，餐廳等開放式空問：四層至十一層為酒店：十二層為設(shè)備轉(zhuǎn)換 層兼辦公層;十三層至二十四層為上下復(fù)式公寓。各層層高：首層、三層5 . 1 in,=屢4. 8 m,十二層3 . 9 m,酒店3 . 3 m,公寓3 . 0 mo塔樓平

6、面尺寸為5 0 . 8 m x 2 9 . 0 m,地面以上結(jié)構(gòu)主體高度為8 5 . 2 0 0 m,高寬比h / e以裙房頂計為(0 45 + 8 5 . 2 0 0. 9 . 9 ) / 2 1 = 3. 6 1 < 5 ,長寬比為 a / b= 5 0 . 8/29 = 1. 7 5 ,平面突邊1 6 m> 3 7 x 03=11. 1 m,屬平面不規(guī)則凹凸。場地地震基木烈 度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0 . 2 0 9,設(shè)計地震分組為第一組。建筑場地類別屬 iii類，設(shè)計特征周期為0 . 4 3 0 s。3. 結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計思路本結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系為方鋼管混凝土柱+方鋼管混

7、凝土中心支撐,樓而為現(xiàn)澆混凝士樓板 + h型鋼粱的組合樓蓋體系。主要框架柱截面為7 0 0x700；鋼管壁厚為1 8-2 6 m m；主要支撐截面為2 0 0 x 3 0 0和3 0 0 x 5 0 0,鋼管壁厚分別為1 0和1 4 mm。 本工程在體型上先天不足，乂位于8度i i i類場地土上，対地震力的反應(yīng)遠(yuǎn)大于風(fēng)荷載。 若將結(jié)構(gòu)設(shè)計得過剛，則難于布置與控制扭轉(zhuǎn)，口地震反應(yīng)也更大，從抗震概念設(shè)計和經(jīng)濟 性的角度來看都不合適。因此，我們選擇了抗震延性和變形能力更強的鋼構(gòu)件來形成柔性抗 震體系，取彈性階段的層間位移角限值為1/300 | 遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的 限值(1 1 1 0 0

8、0 )。笫十八屆全嗣高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文2 0 0 4 年鞏混合結(jié)構(gòu)阻尼比f = o0 5 0. 02 ji百。按此計算，木結(jié)構(gòu)阻尼比為0. 0 3 5 ,與文獻(xiàn)吋，在鋼管內(nèi)充填混凝土也利于管壁局部穩(wěn)定，可增大板件寬厚比，提高鋼材利用率。根據(jù)文獻(xiàn)【2】中的公式，鋼一婭混合結(jié)構(gòu)的阻尼比取決于混凝土對側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)率 【1 1規(guī)定相符，而純鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比僅為0.02。本結(jié)構(gòu)方鋼管內(nèi)混凝土重量約為 結(jié)構(gòu)總重的5 %,經(jīng)對比，其對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的不利影響遠(yuǎn)小于阻尼比提高所帶來的有利影 響。同就純框架體系而言，該結(jié)構(gòu)右側(cè)抗側(cè)移能力人于左側(cè)，而由予外立面的要求，無法在周 邊設(shè)置支撐來提高結(jié)構(gòu)抗扭r q度

9、。因此，5層以上的塔樓中y向支撐較多的布鬣于結(jié)構(gòu)左 側(cè)，以平衡抗側(cè)力體系，減少結(jié)構(gòu)偏心(圖3. 1)。同時。由于使用功能的要求，x向支 撐主要布置于結(jié)構(gòu)右側(cè)，這就要求x向支掠與y向支撐盡量分離，以避免橫縱支掠相連形成 偏心筒而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)(圈3. 1 df )o對于剪力墻結(jié)構(gòu)，這種布置方式會造成大fi單片墻肢，對抗震不利，鋼結(jié)構(gòu)則無此問題。由于使用功能的交化，使得部分抗側(cè)力構(gòu)件無 法延續(xù)至裙房，麗平移到結(jié)構(gòu)外圍(圖3 . 1 ac )：同時，十一層的層高比相鄰層高6 0 0 n強，為避免該層成為薄弱層，在該層增設(shè)了一棉支撐，并加人了支撐截面尺寸。上述原因使得結(jié)構(gòu)局部抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，但 中心支

10、撐的不連續(xù)相比剪力墻的不連續(xù)，受力特點有所不同，后文將作詳細(xì)分析。i 1廠 l la )12層b )2 3層e )34層d )51 2層e )1 2h1 3層圖3 . 1各層支撐分布情況1 4 屋面層0?5第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文2 0 0 4 年整體計算結(jié)果第一周期3 . 6 0秒（1 .第二周期3 4 1秒（o. 9第三周期3. 2 3秒（0.4 . a ) b ) c )圖4 . 1結(jié)構(gòu)空間整體振動圖（括號內(nèi)為平動系數(shù)）t、, 一_降膏 t 疆孵 i 一？ i i e 1 理 r i : 1 / 奄 r 1姍?；剩?一 t : ?二） 巨i =“” 7.： ?：,： 2/、:

11、0.7 l、/i慧,°i ii 8/ , ' ?司t 1 一'a ) x向b ) y向a ) x向b ） y向圖4. 2結(jié)構(gòu)層位移曲線圖圖4. 3結(jié)構(gòu)層間位移曲線a）結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期與笫一平動周期z比為3 . 2 3 / 3 . 6 0 0. 8 9<0. 9 0； b ）風(fēng)荷載下最人層間位移角1 / 5 6 9 （ 1 6層）<1/40 0 ,滿足“高 鋼規(guī)”第5 . 5. 1條；地震荷 載作用下最人層間位移角1 / 3 5 4 （ 1 7層）v 1/30 0,滿足“抗規(guī)”笫5. 5. 1條；c）地震作用下，樓層豎向構(gòu)件最大彈性水平位移和層 間位移分別為

12、樓層兩端彈性水平位移和層間平均位移的1.09和1 . 2 4倍，滿足“抗規(guī)” 第3 . 4. 3-1條對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的限制：d）各層側(cè)向剛度與相鄰上一層側(cè)向剛度的7 0 %,或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的8 0 %的比值屮最小者為114（12層），滿 足“抗規(guī)”第3 . 4 . 2條側(cè)向剛度規(guī)則性要求。e ）結(jié)構(gòu)順風(fēng)向和橫風(fēng)向頂點加速度最大 值為0. 10 m / s 2 <z 0. 2 0 m / s 2 ,滿足“離鋼規(guī)”笫5 . 5 . 1條舒適度規(guī) 定?？谟嬎憬Y(jié)果表明，結(jié)構(gòu)周期及位移符合規(guī)范要求，剪重比適中，構(gòu)件截面取值合理， 結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。5 5 1?第丁八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)

13、術(shù)會議論文2 0 0 4 年5.抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)分類分析當(dāng)中心支撐在豎向不能連續(xù)時，其軸力將直接傳遞給框架柱和框架梁，從構(gòu)件層面來看, 并不需要剪力壤結(jié)構(gòu)屮的轉(zhuǎn)換支承構(gòu)件。這使得屮心支撐的布置較之剪力墻更為靈活，且不 會影響層高。但從宏觀的角度來看，無法連續(xù)的中心支撐必定會按照“剛度最 大，路徑最矩” 原則，將其所承受的水平力通過某種方式傳遞給其他抗側(cè)力構(gòu)件。因此從樓層剪力傳遞的角 度來看，依然存在轉(zhuǎn)換構(gòu)件，只是這種構(gòu)件無需承擔(dān)支撐的重力荷載。通過分析歸納發(fā)現(xiàn), 中心支撐不連續(xù)大致可分為以下兩類情況：5. 1支撐的隔棍和隔跨錯動上層 下層，'1 t_0 4 ik）=二一-9一：. i

14、l、_t j 1 卡b）隔跨錯動-. ；. t v 1 j. 一a）鄰棍錯動圖5. 1支撐的隔枷和隔跨錯動圖5. 1 a是本工程支撐不連續(xù)的主要形式，由于上層 支撐不能直接的把軸力傳遞給鄰棍或隔跨的支撐，樓板充當(dāng)了轉(zhuǎn)換構(gòu)件的角色。如圖5. 2 所示，樓板的主應(yīng)力跡線由不連續(xù)的支撐端點急劇向相鄰支撐端點集中，此時樓板的受力形 式接近于剪力墻。由于只是局部支撐構(gòu)件不連續(xù)，加之樓板面積遠(yuǎn)較剪力墻人，對剪力的擴 散能力很強，通過璧化分析發(fā)現(xiàn)，樓板剪力遠(yuǎn)小于其允許承載力。因此，只要采取相應(yīng)的構(gòu) 造措施消除應(yīng)力集中，適當(dāng)增強樓板剛度和配筋，這種類型的支撐不連續(xù)并不會給結(jié)構(gòu)抗側(cè) 性能造成人的彩響。, yj。

15、一 y yy xj- 7 了萬叉a ）樓板主應(yīng)力跡線b）樓板剪應(yīng)力云圖圖5 . 2鄰棍支撐間的剪力傳遞5 . 2支撐 的鄰跨錯動5 5 2?第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文2 0 0 4 年圖5. 3是可能出現(xiàn)的另一種支撐不連續(xù)形式，由予某一層使用功能的改變，導(dǎo)致該層 支撐移動到相鄰跨，下一層乂恢復(fù)到原來位置。從抗側(cè)剛度來看，樓層的抗側(cè)剛度并未削弱, 支撐的軸力傳遞也比較自接。但移動到鄰跨的支撐軸力卻遠(yuǎn)大于原位置支撐，原因在于該支 撐將支撐跨的柱軸力“拖曳”到了和鄰柱上，此時支撐的受力形式更接近于伸愕桁架，起到 了協(xié)調(diào)豎向變形的作用，而其抗震承載力儲備則大幅降低。此類支撐不連續(xù)形式對結(jié)構(gòu)抗

16、震 性能有較人影響，在木工程設(shè)計屮已盡量避免。對確需移動到鄰跨的支撐，則采取將其下各 層支撐都移動到鄰跨的方法，以平均分配柱問軸力差。/.彳八？/ p 3 . 7 3遣。文 等 篇£ 影：1 .靠 了孽！ 越彩n；y蘭蔓氫塞/ 7 7 卜6iv遺圖5. 3支撐的鄰跨錯動與受力圖6 結(jié)構(gòu)耗能機制與抗震延性根據(jù)“抗規(guī)”規(guī)定，8, 9度抗震設(shè)防區(qū)的高層鋼結(jié)構(gòu)宜采用偏心支撐，但國外的最新 震害表明，偏心支撐在遭破壞后，山于耗能粱段變形嚴(yán)重，其修復(fù)工作不僅難度大，口耗費 昂貴【門。同時，相同截而條件下，偏心支撐體系的抗側(cè)剛度僅為中心支撐的1 / 4到1 / 3,支撐斜桿不發(fā)生屈服，不能充分利用

17、構(gòu)件截面，其經(jīng)濟性也較差。因此，木工程屮經(jīng)反 復(fù)試算比較，仍決定采用小心支撐體系，并從提高支撐構(gòu)件的反復(fù)拉壓性能入手，保證結(jié)構(gòu) 抗震延性。6 . 1方鋼管混凝士支撐的循環(huán)受力性能本結(jié)構(gòu)所采用的方鋼管支撐，最大計算長度約為6. 5m,截面尺寸為3 0 0 x 5 0 0 x 1 4 ,不計管內(nèi)混凝土貢獻(xiàn)，按經(jīng)典屈曲分析求得其歐拉臨界力為1 8 9 3 7 k n，而其 截面屈服軸力為6 7 0 0 kn,遠(yuǎn)小于臨界屈iw力。因而，本工程支撐均可視為短粗支撐, 不易發(fā)牛整體屈曲失穩(wěn)。而在方鋼管內(nèi)充填混凝土，則可有效防止管壁在較大軸力下發(fā)牛局 部屈曲起皺。因而，由方鋼管混凝土構(gòu)成的實心截面支撐，其抵

18、抗反復(fù)荷載的能力要明顯優(yōu) 于ii型鋼或其他類型的薄壁桿件支撐。同時.屮心支撐憑借軸向變形耗能，其耗能效率高于 依靠彎illi變形耗能的偏心支撐，文獻(xiàn)【3 小對本結(jié)構(gòu)所作的罕遇地震下彈塑性時程分析衣 明，在中心支撐多數(shù)屈服的情況下，僅有個別框架柱出現(xiàn)了塑性錢，支撐的保護作用顯著。 同時，作為笫一道抗震防線，中心支撐的更換和維修較為方便，對建筑使用影響不大，是適 合本工程的抗側(cè)構(gòu)件形式。5 5 3?第丁八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文2 0 0 4 年6. 2跨層x撐的受力性能本工程屮人量使用了跨層x支撐。如圖6. 2所示，入字形支撐和跨層x形支撐在彈性 階 段的抗側(cè)剛度基本相同。但由圖6. 2 p u s h o v e r結(jié)果可見，跨層x撐體系的極限 變形能力明顯優(yōu)于單一人字撐體系。對入字撐體系，當(dāng)其中一肢支撐發(fā)生受壓屈服，整個支 撐也就喪失了繼續(xù)吸收地震力的能力：而跨層x撐則需4根支撐依次屈服后才會完成變形, 能更加充分的發(fā)揮支撐桿件的變形能力，在彈塑性階段具有更好的抗震延性。 / / / 八圖6. 1人字撐與跨層x撐圖6. 2人字?jǐn)f與跨層x撐的極限推覆形態(tài)（放大比例相同）7結(jié)語本工程的施工圖設(shè)計